自2014 年本田謳歌MDX首次采用熱成形門環，其後2016年克萊斯勒Pacifica再次采用相同技術開始［1］，熱成形門環技術越來越受到關(guan) 注。目前，國內(nei) 多家汽車製造商也已開始研究設計並量產(chan) 熱成形門環，推動該技術快速發展的主要原因如下：（1）車身輕量化需求。熱成形門環能夠降低整車重量，實現輕量化的目標。這不僅(jin) 可以提升燃油經濟性、車輛操作性及加速性能，還能夠減小製動距離、發動機冷卻係統需求和輪胎滾動阻力，

降低碰撞時車輛結構能量；（2）車身結構安全要求。因25%小偏置碰撞法規、可變形移動避障側(ce) 麵碰撞試驗和新能源汽車試驗項目側(ce) 麵柱碰試驗等的實施［2］，傳(chuan) 統的車身結構在不斷升級的安全法規要求下存在不足。一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環結構可以實現車身結構的一體(ti) 化設計，使整車更加穩定堅固。這種結構設計能夠有效地分散碰撞能量，可以承受更高的碰撞衝(chong) 擊力，減少車身變形量和鈑金開裂風險，保護乘員安全；（3）熱成形技術的進步。隨著TWB拚焊不等厚板、TRB柔性軋製板、TTP軟區工藝和PB補丁板等技術在車身上的應用［3］，融合了這些新技術的一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環得到了進一步發展。門環技術的應用不僅(jin) 提高汽車製造效率和整車質量穩定性，也可以降低生產(chan) 成本。綜上所述，一體(ti) 式熱成形門環的應用在近年的整車車身結構設計中尤其重要。本文基於(yu) 某三廂轎車的前門環設計方案，研究一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環優(you) 化方案，為(wei) 後續新車型開發設計提供參考。

1.2 熱成形衝(chong) 壓成形技術

熱成形衝(chong) 壓成形技術是一種利用熱作用對金屬材料進行塑性變形的方法。它結合了熱處理和衝(chong) 壓成形的特點，通過加熱金屬材料使其達到可塑性狀態，然後通過衝(chong) 壓工藝對其進行成形。具體(ti) 工藝是，將板料放入加熱爐中加熱到 900 ℃左右，使其完全奧氏體(ti) 化，然後通過機械手放到帶有冷卻水道的衝(chong) 壓模具上進行快速衝(chong) 壓成形，成形後保壓、冷卻淬火成馬氏體(ti) 鋼。

熱成形衝(chong) 壓成形技術具有以下優(you) 點：（1）熱成形技術解決(jue) 了超高強度成形問題，與(yu) 高強度鋼的冷衝(chong) 壓相比，不易出現起皺和開裂問題；（2）熱成形之後，製件的回彈小，零件尺寸精度高，減少模具調試整改周期；（3）變成馬氏體(ti) 後，材料的抗拉強度可以達到1 600 MPa左右，顯著地提升車身的剛度和強度；（4）超高強度鋼的使用，在保證車身安全性能的前提下，可以降低鈑金厚度，從(cong) 而降低零件重量，實現整車輕量化目標。近年來，隨著熱成形衝(chong) 壓成形技術的成熟，越來越多地被應用到車身結構件中，如A柱、B柱及鉸鏈柱內(nei) 外板、雪撬板、門檻內(nei) 外板和前後縱梁等。

1.3  一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環的應用

在傳(chuan) 統的門環製造過程中，通常需要將多個(ge) 鈑金零件通過點焊組合成完整的門環結構，這樣會(hui) 導致板材利用率低下，造成材料的浪費，增加材料成本。一體(ti) 式門環解決(jue) 了傳(chuan) 統門環製造過程中多處重疊點焊導致的板材利用率較低和多層板焊接工藝問題。一體(ti) 式門環主要技術路線有兩(liang) 種：一種是等料厚一體(ti) 熱成形，該技術減重效果較差，材料利用率低，性能變化不靈活；另一種是不等料厚激光拚焊熱成形，即一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環。它將激光拚焊技術和熱成形衝(chong) 壓技術有效結合，實現車身安全性能、整車輕量化和生產(chan) 製造之間的巧妙平衡，提高材料利用率，減少材料的浪費。一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環主要工藝流程包括：落料、激光拚焊、熱衝(chong) 壓成形和激光切割，如圖2所示。

02

設計方案優(you) 化

成本較高是影響一體式熱成形激光拚焊門環被廣泛應用的主要原因之一。平衡成本和性能是各大整車企業研究熱成形門環的主要研究方向。一體式熱成形激光拚焊門環單件成本由落料衝次費、材料成本、激光拚焊費、衝壓費、激光切割費和管理費組成，各成本要素占比如圖3所示，其中激光拚焊費占比高達23%。一體式熱成形激光拚焊門環相比於傳統工藝和等料厚一體熱成形門環，主要差異點是增加了激光拚焊工藝。所以，合理設計焊縫數量、優化焊縫位置可以有效地提高材料利用率、降低激光拚焊費用。

圖2  熱成型門環工藝流程

圖3  一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環各成本要素占比

該三廂轎車的前門環現有的結構設計方案是傳(chuan) 統工藝結構設計方案，分成6個(ge) 部分（見圖4），各部分具體(ti) 結構信息如表1所示。本文依托此base方案將前門環設計成一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環結構，同時綜合考慮門環性能、減重和成本，對分片數量、分片位置等方麵進行優(you) 化設計。

圖4 現有的結構設計方案

表1 各區域結構信息

2.1 分片數量優(you) 化

本文分別設計出3道焊縫、4道焊縫和5道焊縫的方案進行分析對比，如圖5所示。不同分片數量方案的零件重量和成本對比如表2所示。與(yu) 原始方案對比，3道焊縫設計方案在單片成本方麵表現最優(you) ，但該方案存在材料利用率低、減重效果欠佳且後期性能調整料厚不靈活等缺點。5道焊縫便於(yu) 落料排樣設計，材料利用率最高，但該方案焊縫長度長，使單片成本大幅增大。4 道焊縫減重效果最佳，材料利用率與(yu) 原始方案相比僅(jin) 有小幅增加。綜合考慮減重、成本和性能調整靈活度3個(ge) 方麵，4道焊縫方案為(wei) 此前門環的分片數量最優(you) 解。

圖5 不同分片數量的門環方案對比

2.2 分片位置優(you) 化

確定分片數量之後，需繼續對分片位置進行微調優(you) 化。焊縫需要避開材料流動劇烈的地方，

保證焊縫距離R角50 mm以上，避免出現影響激光拚焊質量和成形性問題。同時，通過優(you) 化焊縫位置來進一步減少激光焊縫長度，降低激光拚焊費用，從(cong) 而有效節約門環單片成本。

表2 不同分片數量的門環方案成本對比

拚焊質量和成形性問題。同時，通過優(you) 化焊縫位置來進一步減少激光焊縫長度，降低激光拚焊費用，從(cong) 而有效節約門環單片成本。本文在上訴4道焊縫設計方案的基礎上，設計 了3種優(you) 化分片位置方案，如圖6所示。3種優(you) 化方案與(yu) 原始方案的零件重量和成本對比，如表3所示。通過對比發現，優(you) 化方案3的減重效果最好，焊縫長度最短，單片成本和模具成本相對最低。因此，本文最後選擇優(you) 化方案3作為(wei) 該車前門環的結構設計方案，將A柱加強板、鉸鏈柱加強板、門檻加強板及B柱加強板等部分通過激光拚焊的方式組合成一個(ge) 整體(ti) ，然後進行熱成形和激光切割得到所需零件。門環結構設計完成之後，再經模擬CAE碰撞性能試驗 ，進一步驗證其結構的合理性。

圖6 不同分片位置的門環優(you) 化方案對比

2.3 成形分析優(you) 化

一體(ti) 式門環相比於(yu) 原傳(chuan) 統的單件熱成形，體(ti) 積較大、型麵更複雜，一次成形後，成形性會(hui) 有變化，容易在鉸鏈柱前端上部和下部的尖角處等區域出現鈑金開裂、過度減薄和局部起皺疊料等成形性問題。雖然采用熱成形工藝，成形性會(hui) 比高強度鈑金的冷衝(chong) 壓好，但在個(ge) 別位置仍然需要調整，產(chan) 品數模設計時要避免尖角、負角、小圓角等不利於(yu) 成形的特征。圖7顯示了幾處一體(ti) 式門環容易出現鈑金開裂、過度減薄和起皺疊料的位置。

圖7 成形性問題

為(wei) 應對以上典型的開裂和起皺問題，需要有針對性地局部優(you) 化。圖8給出了部分更改建議和解決(jue) 方案。數模優(you) 化後該門環成形狀態如圖9所示，可以看出成形問題有明顯改善。

表3  3種優(you) 化方案與(yu) 原始方案的零件質量和成本對比

圖8 成形性問題解決(jue) 方案

圖9 優化後成形狀態

分析以上幾處更改點，可以發現，這幾處更改點都是比較關鍵的地方，後期更改起來會比較困難。因此需要在前期設計階段識別出來，進行設計保護。同時，通過在特殊區域設置上壓料和下托料來控製板料在成形過程中的材料流動，設計不同的行程保證板料的穩定性和可控性。

03

優(you) 化結果對比

3.1 成本對比分析

經過成本對比，優(you) 化後一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環單片成本略高於(yu) 傳(chuan) 統工藝方案門環，整車成本增加約28元（單車2片），如表4所示。此外，一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環的模具成本可與(yu) 傳(chuan) 統工藝方案模具成本幾乎持平。

表4 兩種方案成本對比

3.2 重量對比分析

經過重量對比，優(you) 化後一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環較傳(chuan) 統工藝方案門環單側(ce) 減重2.82kg，如表5所示，整車減重5. 64 kg，減重超18. 6%。優(you) 化後一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環明顯具有更優(you) 的減重優(you) 勢，更容易達到輕量化目標。

表5 兩種方案重量對比

3.3 性能對比分析

對傳(chuan) 統工藝門環和優(you) 化後一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環分別進行SOF碰撞模擬分析，碰撞結果如圖10及表6所示。從(cong) 對比圖和表中數據可以看出，一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環相比於(yu) 傳(chuan) 統工藝門環，大部分區域的鈑金變形和侵入量都更小。A柱上鉸鏈位置的侵入量下降15.6mm，上儀(yi) 表板位置的侵入量下降32.8mm，優(you) 化後滿足碰撞性能目標值。

圖10 SOF碰撞結果對比圖

表6 SOF碰撞結果侵入量/mm

經過SOF碰撞模擬分析對比，一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環對駕駛艙的侵入量更小，特別是對於(yu) 車體(ti) 上部的侵入量的優(you) 化尤為(wei) 顯著，表現出更優(you) 異的安全性能。 

04

結語

本文針對某三廂轎車的側(ce) 圍前門環結構設計方案進行研究，介紹了結合激光拚焊技術和熱成形衝(chong) 壓技術的一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環技術。綜合考慮成本、重量及性能要求，提出了幾種不同分片設計的門環結構方案，並針對成形性進行數模設計優(you) 化。圍繞成本、重量和性能三方麵的對比分析，最終確定前門環的結構方案，進一步提升一體(ti) 式熱成形激光拚焊門環在成本、輕量化和安全性能方麵上的優(you) 勢。最後，研究結果不僅(jin) 解決(jue) 了該項目的門環結構設計問題，也為(wei) 後續車型的前門環提供了設計參考。

參考文獻

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文章來源：

沈怡，張藝馨 （泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208） 發表於《上海汽車》